laporan akhir praktikum
DESCRIPTION
praktikumTRANSCRIPT
Laporan Akhir Praktikum
Laboratorium Teknik Material 3
Modul C Konduktivitas dan Difusivitas Termal Refraktori
Oleh:
Nama : Irma Pratiwi
NIM : 13712031
Kelompok : 3
Anggot (NIM) :Muhamad Wahyunda(13712005)
Edgar Adirga F. (13712016)
Rita Debora (13712041)
Tanggal Praktikum : 10 Maret 2015
Tanggal Penyerahan Laporan : 15 Maret 2015
Nama Asisten (NM) : Riska R. (13712062)
Laboratorium Metalurgi dan Teknik Material
Program Studi Teknik Material
Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara
2015
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Dalam dunia industri, material refraktori merupakan material yang sangat diperlukan, terutama di industri yang berhubungan dengan panas tinggi, misalnya industri baja,aplikasi space vehicle, jet engine,dll . Kemampuan material ini untuk mempertahankan bentuk dan kekuatannya pada temperatur tinggi dibawah tegangan dan regangan membuat material ini cocok digunakan untuk pelapis tungku untuk peleburan baja. Salah satu sifat yang penting dalam material refraktori adalah kapasitas kalor, konduktivitas, dan difusivitasnya. Konduktivitas material refraktori mempengaruhi kemampuannya untuk menahan panas di dalam tungku. Sedangkan Difusivitas material refraktori berkaitan dengan kemampuan atom berdifusi dalam material refraktori yang akan mempengaruhi sifat termal material refraktori tersebut. Kapasitas kalor berkaitan dengan kemampuan material refraktori untuk menyimpan panas yang diterima.
Dalam praktikum ini akan dilakukan uji sifat termal material refraktori, antara lain konduktivitas, difusivitas, dan kapasitas kalor. Diharapkan dengan mengetahui sifat-sifat tersebut nantinya dapat memilih material refraktori yang tepat dan efisien untuk keperluan tertentu.
1.2. Tujuan Praktikum1.2.1. Menentukan nilai koefisien konduktivitas, difusivitas, kapasitas panas
spesifik refraktori Alumino-Silicate.
BAB IIDASAR TEORI
Refraktori didefinisikan sebagai material konstruksi yang mampu mempertahankan bentuk dan kekuatannya pada temperatur sangat tinggi dibawah beberapa kondisi seperti tegangan mekanik (mechanical stress) dan serangan kimia (chemical attack) dari gas-gas panas, cairan atau leburan dan semi leburan dari gelas, logam atau slag (modul,2015).Secara umum pembagian refraktori dalam Charles (2004) adalah:a. Shaped (bricks and cast shape)
Untuk refraktori jenis shaped, densitas adalah salah satu sifat yang sangat diperhatikan. Contoh refraktori jenis ini adalah firebrick dan alumino-silicate.
b. Unshaped (monolithic)Beberapa jenis refraktori monolithic adalah plastic, raming mixes, mortar, coating, castable, dan gunning mixes.
Namun pengelompokan refraktori juga dapat berdasarkan komposisi kimianya, seperti dalam modul (2015):
a. Asam (contohnya silika, firebrick, alumino-silicate)b. Netral (contoh chromite, silikon karbida, karbon, dan alumina)c. Basa (contohnya magnesite, forsterite magnesit-chromite, dan dolomite)d. Spesial (contohnya zirconia, spinel, dan boron nitride)
Dalam aplikasi di temperatur tinggi dan dibawah beban mekanik, refraktori harus memenuhi persyaratan seperti:
a. Tahan temperatut tinggi (titik leleh tinggi)b. Dapat menahan beban mekanik maupun termalc. Densitas tinggi dan porositas rendahd. Tidak mudah terkorosie. Tahan abrasi dan erosi dari zat padat, lelehan, atau gas
Sedangkan sifat-sifat material refraktori yang penting antara lain:
a. Sifat fisik -densitas dan porositas. Semakin tinggi densitas, porositasnya akan semakin sedikit. Sifat fisik lain yang juga berkaitan dengan densitas antara lain kekuatan, abrasi, dan permeabilitas. -kekuatan. Uji kekuatan refraktori yang digunakan antara lain dari cold compressive strength, cold modulus of rupture, dan hot modulus of rupture.
-abrasion resistance. Ketahan material refraktori ketika partikel berkecepatan tinggi mengabrasi permukaan refraktori.
b. Sifat termal-thermal expansion. Stabilitas refraktori ketika diekspose pada temperatur tinggi yang berbeda-beda kemudian didinginkan pada T ruang yang dilihat dari perubahan dimensi.-thermal shock. Penentuan sifat refraktori ketika diekspose pada pemanasan dan pendinginan.-Thermal conductivity. Kemampuan material untuk mengahntarkan panas secara langsung melalui atom-atom disekitarnya. Faktor yang mempengaruhi konduktivitas termal refraktori antara lain komposisi kimia, porositas, temperatur, tekanan, regangan, dan aliran panas.-Thermal diffusivity. Umumnya pada material yang mengandung karbon dimana yang diperhatikan adalah mudah tidaknya atom berdifusi dalam material.-Kapasitas panas, adalah kemampuan refraktori untuk menampung panas yang diterima.
c. Sifat kimiaSifat kimia yang diperhatikan adalah sifat ikatan pada refraktori dan kemampuan refraktori untuk menahan lelehan ketika terekspos pada temperatur tinggi, biasanya berkaitan dengan corrosion resistance.
Selama operasi, dalam refraktori terjadi mekanisme perpindahan panas.
Perpindahan adalah mekanisme transfer energi yang berupa kalor karena
adanya perbedaan temperatur antara dua benda.Mekanisme ini terjadi sampai
keduanya mengalami kesetimbangan termal.
mekanisme perpindahan panas yang dikenal antara lain:
Konduksi
Proses perpindahan kalor secara konduksi terjadi melalui suatu medium
dimana kalor berpindah langsung dari satu atom ke atom tetangganya
melalui mekanisme vibrasi. Ketika atom yang lebih tinggi energinya
bervibrasi dan menumbuk atom sekitarnya, maka atom tersebut juga
menyalurkan energi ke atom sekitarnya.
T2 T1
Aliran Kalor
x
Ibnu, 2008
Q/t = H A T/x
Tabel 1. Konduktivitas termal untuk beberapa bahan :
Bahan k (W/m.Ko) Bahan k (W/m.Ko)
Aluminium 238 Asbestos 0,08
Tembaga 397 Concrete 0,8
Emas 314 Gelas 0,8
Besi 79,5 Karet 0,2
Timbal 34,7 air 0,6
Perak 427 kayu 0,08
Bata Tanah Liat 0,54 - 0,6 udara 0,0234
Konveksi
Konveksi adalah mekanisme perpindahan panas melalui media fluida
dimana atom berpindah tempat, antara atom berenergi tinggi dan berenergi
rendah.
Rumusan Konveksi : H = h x A x T
Besarnya konveksi tergantung pada (ibnu, 2008) :
a. Luas permukaan benda yang bersinggungan dengan fluida (A).
b. Perbedaan suhu antara permukaan benda dengan fluida (T).
c. Koefisien konveksi (h), yang tergantung pada :
# viscositas fluida
# kecepatan fluida
# perbedaan temperatur antara permukaan dan fluida
# kapasitas panas fluida
# rapat massa fluida
# bentuk permukaan kontak
Radiasi
Proses radiasi adalah perpindahan panas yang dapat terjadi tanpa
melaui medium perantara, mekanismenya melalui gelombang
elektromagnetik.Untuk benda hitam, radiasi termal dirumuskan :
E = e T4
dimana : konstanta Boltzmann : 5,67 x 10-8 W/ m2 K4.
e : emitansi (0 e 1)
Pada sistem refraktori, pengukuran panas dilakukan dengan termokopel.Termokopel adalah sensor panas yang dibuat dengan menyambung dua jenis logam berbeda. Jika ada perbedaan antara measuring junction dan reference junction, akan terjadi electro motive forcedan dapat dilihat dengan indikator temperatur (pembaca). Pada alat pencatat, yang terbaca adalah arus akibat electro motive force tersebut, namun angka ini menunjukkan selisih temperatur antara measuring juntion dan reference junction.
Skema termokopel
Jenis-jenis termokopel antara lain (http://teknikelektronika.com):
Termokopel Tipe E
Bahan Logam Konduktor Positif : Nickel-ChromiumBahan Logam Konduktor Negatif : ConstantanRentang Suhu : -200˚C – 900˚C
Termokopel Tipe J
Bahan Logam Konduktor Positif : Iron (Besi)Bahan Logam Konduktor Negatif : ConstantanRentang Suhu : 0˚C – 750˚C
Termokopel Tipe K
Bahan Logam Konduktor Positif : Nickel-ChromiumBahan Logam Konduktor Negatif : Nickel-AluminiumRentang Suhu : -200˚C – 1250˚C
Termokopel Tipe N
Bahan Logam Konduktor Positif : NicrosilBahan Logam Konduktor Negatif : NisilRentang Suhu : 0˚C – 1250˚C
Termokopel Tipe T
Bahan Logam Konduktor Positif : Copper (Tembaga)Bahan Logam Konduktor Negatif : ConstantanRentang Suhu : -200˚C – 350˚C
Termokopel Tipe U (kompensasi Tipe S dan Tipe R)
Bahan Logam Konduktor Positif : Copper (Tembaga)Bahan Logam Konduktor Negatif : Copper-NickelRentang Suhu : 0˚C – 1450˚C
BAB III
DATA PERCOBAAN
BAB III
DATA PERCOBAAN
3.1 Data Percobaan
Keterangan Nilai
Arus 4,5 Ampere
Hambatan kawat pemanas 4 Ohm
Tegangan VARIAC 18 volt
Temperatur permukaan
panas
awal 25,1°C
akhi
r 61,5°C
Panjang Silinder 23 cm
Lebar 6,5 cm
Tinggi 11,2 cm
Daya 81 watt
Data pengamatan Tabel 1 Data pengamatanTabel 2
Tim
e (s)
Temp
. (°C)
Temp
. (K) t(min) t(dT/dt) log t(dT/dt) 1/t (min-1)
0 25,1 298,1 0 0 #NUM! #DIV/0!
10 25,1 298,1 0,16667 0,1110 -0,95483 6,0000
20 25,1 298,1 0,333330,23074
7 -0,63686 3,0000
30 25,1 298,1 0,50000 0,3591 -0,44483 2
40 25,1 298,1 0,66667 0,49561 -0,30485 1,5000
Dimana tegangan didapatkan bukan dengan cara perhitungan, yaitu:
V = I R = 4,5 A x 4 ohm = 18 volt
7
50 25,1 298,1 0,83333 0,6401 -0,19374 1,2000
60 25,2 298,2 1,00000 0,7923 -0,10111 1
70 25,2 298,2 1,16667 0,9519 -0,02142 0,8571
80 25,3 298,3 1,333331,11854
3 0,04865 0,7500
90 25,3 298,3 1,50000 1,2921 0,11128 0,666666667
100 25,4 298,4 1,666671,47215
4 0,16795 0,6000
110 25,5 298,5 1,83333 1,6586 0,21973 0,5455
120 25,6 298,6 2,00000 1,851 0,26741 0,5
130 25,8 298,8 2,16667 2,0492 0,31159 0,4615
140 26 299 2,333332,25300
6 0,35276 0,4286
150 26,2 299,2 2,50000 2,4621 0,39130 0,4
160 26,3 299,3 2,666672,67615
8 0,42751 0,3750
170 26,5 299,5 2,83333 2,8951 0,46166 0,3529
180 26,7 299,7 3,00000 3,1185 0,49395 0,333333333
190 26,9 299,9 3,16667 3,3463 0,52456 0,3158
200 27,1 300,1 3,333333,57813
6 0,55366 0,3000
210 27,4 300,4 3,50000 3,8139 0,58137 0,285714286
220 27,6 300,6 3,666674,05322
8 0,60780 0,2727
230 27,8 300,8 3,83333 4,2960 0,63307 0,2609
240 28 301 4,00000 4,542 0,65725 0,25
250 28,2 301,2 4,16667 4,7910 0,68042 0,2400
260 28,5 301,5 4,333335,04273
2 0,70267 0,2308
270 28,7 301,7 4,50000 5,2971 0,72404 0,222222222
280 28,8 301,8 4,666675,55376
5 0,74459 0,2143
290 29,2 302,2 4,83333 5,8126 0,76437 0,2069
300 29,3 302,3 5,00000 6,0735 0,78344 0,2
330 30,1 303,1 5,50000 6,8661 0,83671 0,1818
360 30,7 303,7 6,00000 7,6698 0,88478 0,1667
390 31,5 304,5 6,50000 8,4801 0,92840 0,153846154
420 32,1 305,1 7,00000 9,2925 0,96813 0,1429
450 32,8 305,8 7,50000 10,1031 1,00445 0,1333
480 33,4 306,4 8,00000 10,908 1,03775 0,125
510 34,2 307,2 8,50000 11,7039 1,06833 0,1176
540 34,9 307,9 9,00000 12,4875 1,09648 0,1111
570 35,6 308,6 9,50000 13,2561 1,12241 0,105263158
600 36,1 309,1 10,00000 14,007 1,14635 0,1000
630 36,8 309,8 10,50000 14,7381 1,16844 0,0952
660 37,5 310,5 11,00000 15,4473 1,18885 0,090909091
690 38,2 311,2 11,50000 16,1331 1,20772 0,0870
720 38,8 311,8 12,00000 16,794 1,22515 0,0833
750 39,6 312,6 12,50000 17,4291 1,24127 0,08
780 40,3 313,3 13,00000 18,0375 1,25618 0,0769
810 40,7 313,7 13,50000 18,6189 1,26995 0,0741
840 41,4 314,4 14,00000 19,173 1,28269 0,071428571
870 42,1 315,1 14,50000 19,7001 1,29447 0,0690
900 42,8 315,8 15,00000 20,2005 1,30536 0,0667
930 43,5 316,5 15,50000 20,6751 1,31545 0,064516129
960 44,2 317,2 16,00000 21,1248 1,32479 0,0625
990 44,7 317,7 16,50000 21,5511 1,33347 0,0606
1020 45,3 318,3 17,00000 21,9555 1,34154 0,058823529
1050 45,9 318,9 17,50000 22,3401 1,34908 0,0571
1080 46,7 319,7 18,00000 22,707 1,35616 0,0556
1110 47,7 320,7 18,50000 23,0589 1,36284 0,054054054
1140 47,9 320,9 19,00000 23,3985 1,36919 0,0526
1170 48,5 321,5 19,50000 23,7291 1,37528 0,0513
1200 49,1 322,1 20,00000 24,054 1,38119 0,05
1230 49,8 322,8 20,50000 24,3771 1,38698 0,0488
1260 50,4 323,4 21,00000 24,7023 1,39274 0,0476
1290 51 324 21,50000 25,0341 1,39853 0,046511628
1320 51,6 324,6 22,00000 25,377 1,40444 0,0455
1350 52,2 325,2 22,50000 25,7361 1,41054 0,0444
1380 52,8 325,8 23,00000 26,1165 1,41691 0,043478261
1410 53,3 326,3 23,50000 26,5239 1,42364 0,0426
1440 54 327 24,00000 26,964 1,43078 0,0417
1470 54,6 327,6 24,50000 27,4431 1,43843 0,040816327
1500 55,1 328,1 25,00000 27,9675 1,44665 0,0400
1530 55,7 328,7 25,50000 28,5441 1,45552 0,0392
1560 56,2 329,2 26,00000 29,1798 1,46508 0,038461538
1590 56,9 329,9 26,50000 29,8821 1,47541 0,0377
1620 57,4 330,4 27,00000 30,6585 1,48655 0,0370
1650 57,9 330,9 27,50000 31,5171 1,49855 0,036363636
1680 58,4 331,4 28,00000 32,466 1,51143 0,0357
1710 58,9 331,9 28,50000 33,5139 1,52522 0,0351
1740 59,5 332,5 29,00000 34,6695 1,53995 0,034482759
1770 59,9 332,9 29,50000 35,9421 1,55560 0,0339
1800 60,5 333,5 30,00000 37,341 1,57219 0,0333
1830 61 334 30,50000 38,8761 1,58968 0,032786885
1860 61,5 334,5 31,00000 40,5573 1,60807 0,0323
3.2 Pengolahan Data
a) Plot grafik antara pembacaan temperatur termokopel (T) terhadap waktu t (menit)
0 5 10 15 20 25 30 35270
280
290
300
310
320
330
340
f(x) = 0.0000484402 x⁴ − 0.00356093 x³ + 0.0821004 x² + 0.6386816 x + 297.4318R² = 0.999655698621033
Grafik T vs t
Grafik T vs tLinear (Grafik T vs t)Polynomial (Grafik T vs t)Polynomial (Grafik T vs t)Polynomial (Grafik T vs t)
t(menit)
T(K)
Dari grafik didapatkan persamaan polynomial dengan derajat empat, yaitu:
y = 5E-05x4 - 0,0036x3 + 0,0821x2 + 0,6387x + 297,43
b) Hitung dTdt
dengan cara menurunkan persamaan y terhadap x
y = 5E-05x4 - 0,0036x3 + 0,0821x2 + 0,6387x + 297,43
y’ = 20*(10-5)x3 – 0,0108 x2 + 0,1642x + 0,6387 = dTdt
dimana persamaan y’ merupakan dTdt
yaitu turunan temperatur terhadap waktu
pada selang waktu tertentu.
c) Kalikan dTdt
dengan t, dimana x pada dTdt
adalah waktu pada selang
tertentu (dalam satuan menit).
Contoh : t = 10 detik = 0.16667 menit
t*dTdt
=¿0.16667*[(20*(10-5)(0.16667)3)–
(0,0108 (0.16667)2) + (0,1642(0.16667)) + 0,6387)
= 0,1110
d) Logaritmakan t(dTdt
¿ kemudian plot ke dalam grafik log t(dTdt
¿ vs 1/t
0 1 2 3 4 5 6 7
-1.50000
-1.00000
-0.50000
0.00000
0.50000
1.00000
1.50000
2.00000
f(x) = − 0.55242763247012 x + 1.11133982236172R² = 0.524381427825053
Grafik t(dT/dt) vs 1/t
Grafik t(dT/dt) vs 1/tLinear (Grafik t(dT/dt) vs 1/t)Linear (Grafik t(dT/dt) vs 1/t)
1/t(min -̂1)
log
t(dT
/dt)
e) Dari gradien dan intercept kurva cari nilai k (dalam W/m.K) dan α (dalam m2/s)
Dari grafik tersebut didapatkan persamaan garis lurus yaitu:
y = -0,5524x + 1,1113
Lalu nilai konduktivitas dan difusitas dihitung dengan cara:
log( tdTdt )=log( q
4 πkl )−¿¿¿
Dimana: log( tdTdt )= y ;log( q
4 πkl )=¿ c ,¿ (log e )( r2
4 α )=m;1t=x
Maka:
log ( q4 πkl )=¿1,1113
log ( 814 πk ∙ 0,23 )=1,1113
log 81 – log 4πk(0,23) = 1,1113
log 4πk(0,23) = 1,9085 – 1,1113
log 4πk(0,23) = 0,7972
4πk(0,23) = 6,269 Sehingga k = 6 ,269
4 π ∙ 0 ,23=2 , 169 Wm-1K-1
¿
2,718( 0,022
4 α 1860 )=10−0,5524=0.2803
α= 2.718∗0,022
7440∗0,2803=5,21359 x 10−7 m2 s−1
Sehingga α=5 , 21359 x10−7m2 s−1
f) Hitung nilai kapasitas panas spesifik Cp (dalam J/K.kg) dari material
refraktori Alumino-Silicate.
Diketahui densitas untuk beberapa refraktori adalah sebagai berikut:
ρ Alumino-Silicate = 2.2-2.3 x 103 kg m-3
ρ Fireclay = 2.16 x 103 kg m-3
ρ Magnesite = 2.90 x 103 kg m-3
Dimana α= kρ Cp
sehingga C p=k
αρ
Alumino-Silicate
C p=k
αρ= 2,169
(5,21359 x10−7 ) ( 2.3 x 103 )=1808 , 82J kg-1 K-1
Fireclay
C p=k
αρ= 2,169
(5,21359 x10−7 ) ( 2.16 x103 )=1926 ,056 J kg-1 K-1
Magnesite
C p=k
α ρ= 2,169
(5,21359 x10−7 ) ( 2.90 x 103 )=1434 , 579 J kg-1 K-1
g) Hitung berat atom rata-rata dari masing-masing SiO2, Al2O3, dan MgO (yaitu massa 1 mol untuk masing-masing senyawa tersebut).
Berat atom untuk unsur Si=28, Al=27, Mg=24 dan O=16.
Mr SiO2 = 28 + 2(16) = 60 g/mol
Mr Al2O3 = 2(27) + 3 (16) = 102 g/mol
Mr MgO = 24 + 16 = 40 g/mol
h) Konversikan nilai kapasitas panas spesifik menjadi nilai kapasitas panas per mol atom.
Nilai kapasitas panas per mol untuk semua solid menurut Dulong dan Petit (klasik) adalah 3R = 24.94 J/K.mol
Alumina-Silicate : 60% Al2O3 + 40% SiO2
Fireclay : 30% Al2O3 + 70% SiO2
Magnesite : 100% MgO
Alumina-Silicate
Cp(mol) = Cp (60% Mr Al2O3 + 40% Mr SiO2)*(10-3)
= 1808,82*(0.6*102 + 0.4*60)*(10-3)
= 154,111 J/mol K
Fireclay
Cp(mol) = Cp (30% Mr Al2O3 + 70% Mr SiO2)*(10-3)
= 1926,056*(0.3*102 + 0.7*60)*(10-3)
= 139,832 J/mol K
Magnesite
Cp(mol) = Cp (Mr MgO)*(10-3)
= 1434,579*(40)*(10-3) =57,38316 J/mol K
BAB IVANALISIS DATA
Pada praktikum ini digunakan alat VARIAC untuk menentikan nilai koefisien konduktivitas, difusivitas, dan kapasitas panas bata aluminosilicate. Temperatur diukur dari 2 cm dan 2 mm dari silinder pemanas. Namun pada praktikum ini yang diperhatikan hanya termokopel jarak 2 cm disebabkan termokopel pada jarak 2 mm kurang akurat pembacaan panasnya. Dari hasil pengukuran dan kemudian dihitung pada BAB III, didapat nilai koefisien konduktivitas, difusivitas, dan kapasitas panas sebagai berikut:
koefisien Data percobaan
Konduktivitas termal (k) 2,169 Wm-1K-1
Difusivitas termal () 5,21359 x10−7m2/s
Kapasitas panas (Cp) Alumina-Silicate 1808,82 J/K.kg
Hasil ini berbeda dibandingkan literatur disebabkan beberapa faktor. Pertama adalah komposisi aluminosilicate yang digunakan. Pada percobaan ini tidak dilakukan karakterisasi komposisi sehingga tidak diketahui apakah komposisi bata aluminosilicate yang digunakan sama dengan komposisi literatur, padahal komposisi sangat mempengaruhi sifat termal refraktori. Kedua adalah asumsi Terhadap densitas yang digunakan. Karena tidak dilakukan pengujian densitas, tidak diketahui apakah densitas yang digunakan sama dengan densitas sebenarnya bata alumino silicate untuk percobaan.
Tegangan, arus , dan hambatan yang digunakan selama praktikum juga mempengaruhi hasil yang didapat. Pada praktikum kali ini diasumsikan hambatan adalah hasil dari setting arus dan tegangan. Padahal saat dilakukan pengukuran hambatan, hambatan yang diukur jauh lebih besar dibandingkan hasil perhitungan. Ini menunjukkan selama praktikum arus yang digunakan tidak 4.5 Ampere dan kemungkinan berubah-ubah ysng juga mempengaruhi hasil yang didapat. Kemudian pada pengolahan data, Hasil regresi terhadap logaritmik dT/dt juga menyimpang sangat jauh. Kurva ini lebih dekat ke persamaan logaritmik dibandingkan persamaan linier sehingga persamaan hasil regresi akan berbeda jauh dibandingkan keadaan sebenarnya yang pastinya akan berpengaruh terhadap hasil perhitungan. Grafik T terhadap t juga dicari dengan pendekatan polinomial pangkat 4, sedangkan yang sebenarnya bisa mencapai pangkat tak hingga untuk mendapat hasil yang semakin mendekati yang sebenarnya.
Pada percobaan digunakan dua terkopel pada jarak 2 cm dan 2 mm dari silinder pemanas. Dari pengamatan diketahui bahwa semakin lama waktu, perbedaan temperatur antara keduanya semakin besar. Termokopel pada jarak 2 mm lebih tinggi temperaturnya dibandingkan dengan termokopel pada jarak 2 cm. Hal ini disebabkan termokopel pada jarak yang lebih dekat dengan silinderpemanas akan lebih banyak menerima panas dibandingkan jarak yang jauh karena pada perpindahan panas, temperatur berbanding terbalik dengan jarak (dimensi).
Pada percobaan ini kurva log (dT/dt) terhadap 1/t yang didapat lebih mendekati persamaan logaritmik dibandingkan linier. Artinya, semakin lama waktu pembacaan, penyimpangan dari plot garis lurus akan semakin besar. Ini disebabka. Hal ini disebabkan pada percobaan, rumusan persamaan untuk mencari grafik diasumsikan dalam kondisi tunak (steady state) dan tidak ada kehilangan panas selama perpindahan panas. Padahal yang terjadi sebenarnya tidak ada perpindahan panas yang steady state sehingga kurva yang dihasilkan tidak selamanya linier. Adanya faktor lain seperti porositas yang besar dan inklusi belum diperhitungkan dalam percobaan kali ini, sedangkan faktor-faktor tersebut juga sangat mempengaruhi hasil percobaan. Adanya udara dalam refraktori (void) dapat menurunkan nilai koefisien konduksi termal karena berpengaruh pada proses tranfer panas, dan faktor ini belum diperhatikan selama praktikum.
BAB VKESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan
Nilai koefisien konduktivitas, difusivitas, dan kapasitas panas spesifik bata aluminosilicate hasil percobaan adalah:
Koefisien Data percobaan
Konduktivitas termal (k) 2,169 Wm-1K-1
Difusivitas termal () 5,21359 x10−7m2/s
Kapasitas panas (Cp) Alumina-Silicate 1808,82 J/K.kg
Saran1. Dilakukan kalibrasi terhadapa alat VARIAC2. Dilakukan karakterisasi komposisi pada sampel3. Dilakukan pendekatan regresi yang mendekati persamaan kurva log
(dT/dt)
DAFTAR PUSTAKA
1. Chesters, J. H., “Refractories: Production and Properties”, The Metals Society, London, 1983, page 262-315.
2. Charles A., Schacht, “Refractories Handbook”, Marcel Dekker, Inc., New York, 2004, page 1-9.
3. http://teknikelektronika.com/pengertian-termokopel-thermocouple-dan-prinsip-kerjanya/ . Diakses pada 14 Maret 2015 pukul 23.00
4. http://en.wikipedia.org/wiki/Contact_angle#Measuring_methods
5. http://www.kimianet.lipi.go.id/utama.cgi?cetakartikel&1100398016
LAMPIRAN
Tugas Setelah Praktikum
1. Bandingkan dan diskusikan hasil percobaan yang anda peroleh dengan
data literatur.
BAB IV ANALISIS DATA
2. Apakah pembacaan waktu yang lebih lama akan menyebabkan
penyimpangan dari plot garis lurus pada grafik log t(dT/dt) versus 1/t? Jika
ya, kenapa hal ini bisa terjadi?
Pada percobaan ini kurva log (dT/dt) terhadap 1/t yang didapat lebih
mendekati persamaan logaritmik dibandingkan linier. Artinya, semakin
lama waktu pembacaan, penyimpangan dari plot garis lurus akan semakin
besar. Ini disebabka. Hal ini disebabkan pada percobaan, rumusan
persamaan untuk mencari grafik diasumsikan dalam kondisi tunak (steady
state) dan tidak ada kehilangan panas selama perpindahan panas. Padahal
yang terjadi sebenarnya tidak ada perpindahan panas yang steady state
sehingga kurva yang dihasilkan tidak selamanya linier.
3. Sebutkan contoh-contoh penggunaan material refraktori dan jenis material
refraktori yang digunakan?
Refraktori oksida (Al2O3- chromite) untuk tungku peleburan Cu.
MgO-C, tapping hole
Corundum (Al2O3- SiO2), nozzle.
Rangkuman Praktikum
A. Prosedur PraktikumPraktikum dilakukan dengan menggunakan refraktori alumino-silicate yang akan ditentukan nilai koefisien konduktivitas, difusivitas, dan kapasitas panas spesifiknya.
Modul, 2015.1. Rangkai alat seperti gambar diatas2. Selipkan termokopel pada 2 cm dari pemanas dan 2 mm dari pemanas.
Pada percobaan ini yang diperhatikan adalah termokopel pada jarak 2 cm karena termokopelnya cukup akurat.
3. Ukur hambatan kawat pemanas dengan ohm meter4. Ukur temperatur saat t=05. Atur VARIAC ke tegangan yang diperlukan dengan menghitung V=IR
(maksimal tegangan alat 20 V)6. Catat temperatur setiap 10 detik untuk 5 menit pertama dan 30 detik
untuk menit selanjutnya sampai menit ke 30, masukkan dalam tabel.7. Matikan (off) VARIAC setelah selesai digunakan.
B. Pengolahan Data1. Untuk setiap temperatur, dibuat tabel berikut:
2. Hitung dT/dt pada waktu t tertentu.3. Buat tabel :
t(sekon) T (oC) T(K)0102030405060dst
t(min)t(dT/dt) (K)
log (t(dT/dt)) 1/t (1/min)
00,160,320,480,640,8
4. Plot grafik log (t(dT/dt)) versus 1/t dengan T dan 1/t dalam K dan min-1
5. Dari gradien dan intercept kurva tentukan nilai k (W/mK) dan α (dalam m2/s).
6. Hitung nilai kapasitas spesifik panas Cp (dalam J/K. Kg). Diketahui densitas berikut:Alumino silicate : 2,2 x 103 kg/m3
Fireclay : 2,16 x 103 kg/m3
Magnesite : 2,90 x 103 kg/m3
7. Hitung berat atom rata-rata dari masing–masing SiO2, Al2O3, dan MgO. Alumino silicate dan fireclay tersusun atas senyawa Al2O3 dan SiO2 sedangkan magnesit susunan utamanya terdiri dari MgO. Berat atom Si=28, Al=27, Mg=24, O=16.
8. Ubah nilai kapasitas panas spesifik yang anda peroleh menjadi nilai kapasitas panas per mol atom. Nilai kapasitas panas per mol untuk semua solid menurut dulog dan petit (klasik) adalah 3R = 24,94 J/K mol
Tugas Tambahan
1. Fonon
Panas yang diserap disimpan oleh padatan antara lain dalam bentuk vibrasi (getaran) atom/ion penyusun padatan tersebut.
Keramik biasanya memiliki ikatan yang kuat dan atom-atom yang ringan. Jadi getaran-getaran atom-atomnya akan berfrekuensi tinggi dan karena ikatannya kuat maka getaran yang besar tidak akan menimbulkan gangguan yang terlalu banyak pada kisi kristalnya.
Hantaran panas dalam padatan melibatkan transfer energi antar atom-atom yang bervibrasi. Vibrasi atom akan mempengaruhi gerakan atom-atom lain di tetangganya dan hasilnya adalah gelombang yang bergerak dengan kecepatan cahaya yakni fonon. Fonon bergerak dalam bahan sampai terhambur baik oleh interaksi fonon-fonon maupun cacat kristal. Keramik amorf yang mengandung banyak cacat kristal menyebabkan fonon selalu terhambur sehingga keramik merupakan konduktor panas yang buruk. Mekanisme hantaran panas oleh elektron, yang dominan pada logam, tidak dominan di keramik karena elektron di keramik sebagian besar terlokalisasi.
2. Metode menentukan wetting angleDynamic Wilhelmy method Untuk menghitung kontak angle pada benda pada yang uniform. Kedua sisi solid harus sama sifsatnya. Wetting force pada solid dihitung dengan mencelupkan pada cairan yang diketahui wetting anglenya.Washburn's equation capillary rise method Digunakan pada material berupa powder atau yang berpori. Digunakan perubahan massa terhadap waktu.
3. Polimer konduktifPolipirol, polianilin, politiofen
4. Korosi pada material refraktoriKorosi pada material refraktori berkaitan dengan pengurangan massa. Pada saat pengoperasian tungku pelelehan logam misalnya, erosi dan abrasi dari lelehan logam dan slag dapat mengikis permukaan refraktori dan lama kelamaan terjadi pengurangan massa pada permukaan refraktori. Pemilihan material refraktori yang tidak sesuai komposisi kimia lelehan logam juga dapat menyebabkan refraktori bereaksi dengan logam lelehannya dan menyebabkan pengurangan massa.
5. Electrical furnace dan BOF
BOF
logam cair dimasukkan ke ruang baker (dimiringkan lalu ditegakkan) Oksigen (± 1000) ditiupkan lewat Oxygen Lance ke ruang bakar dengan
kecepatan tinggi. (55 m3 (99,5 %O2) tiap satu ton muatan) dengan tekanan 1400 kN/m2.
ditambahkan bubuk kapur (CaO) untuk menurunkan kadar P dan S.
Keuntungan dari BOF adalah:
BOF menggunakan O2 murni tanpa Nitrogen Proses hanya lebih-kurang 50 menit. Tidak perlu tuyer di bagian bawah Phosphor dan Sulfur dapat terusir dulu daripada karbon Biaya operasi murah
Electrical furnace
Baja yang berkualitas tinggi dihasilkan apabila dilakukan pengontrolan temperatur peleburan dan memperkecil unsur-unsur campuran di dalam baja yang dilakukan selama proses pemurnian. Proses pengolahan seperti ini dilakukan dengan menggunakan dapur listrik. Pada awal pemurnian baja menggunakan dapur tungku terbuka atau konvertor, selanjutnya dilakukan di dalam dapur listrik sehingga diperoleh baja yang berkualitas tinggi. Dapur listrik terdiri dari dua jenis, yaitu dapur listrik busur nyala dan dapur induksi frekuensi tinggi.
6. TundishBerfungsi sebagai tempat setelah keluar dari tungku dan akan di casting
7. Tipe-Tipe termokopel
Termokopel Tipe E
Bahan Logam Konduktor Positif : Nickel-ChromiumBahan Logam Konduktor Negatif : ConstantanRentang Suhu : -200˚C – 900˚C
Termokopel Tipe J
Bahan Logam Konduktor Positif : Iron (Besi)Bahan Logam Konduktor Negatif : ConstantanRentang Suhu : 0˚C – 750˚C
Termokopel Tipe K
Bahan Logam Konduktor Positif : Nickel-ChromiumBahan Logam Konduktor Negatif : Nickel-AluminiumRentang Suhu : -200˚C – 1250˚C
Termokopel Tipe N
Bahan Logam Konduktor Positif : NicrosilBahan Logam Konduktor Negatif : NisilRentang Suhu : 0˚C – 1250˚C
Termokopel Tipe T
Bahan Logam Konduktor Positif : Copper (Tembaga)Bahan Logam Konduktor Negatif : ConstantanRentang Suhu : -200˚C – 350˚C
Termokopel Tipe U (kompensasi Tipe S dan Tipe R)
Bahan Logam Konduktor Positif : Copper (Tembaga)Bahan Logam Konduktor Negatif : Copper-NickelRentang Suhu : 0˚C – 1450˚C
Tes Awal1. Sebutkan dan Jelaskan mekanisme perpindahan panas pada material
mekanisme perpindahan panas yang dikenal antara lain:
Konduksi
Proses perpindahan kalor secara konduksi terjadi melalui suatu medium
dimana kalor berpindah langsung dari satu atom ke atom tetangganya
melalui mekanisme vibrasi. Ketika atom yang lebih tinggi energinya
bervibrasi dan menumbuk atom sekitarnya, maka atom tersebut juga
menyalurkan energi ke atom sekitarnya.
T2 T1
Aliran Kalor
x
Ibnu, 2008
Q/t = H A T/x
Tabel 1. Konduktivitas termal untuk beberapa bahan :
Bahan k (W/m.Ko) Bahan k (W/m.Ko)
Aluminium 238 Asbestos 0,08
Tembaga 397 Concrete 0,8
Emas 314 Gelas 0,8
Besi 79,5 Karet 0,2
Timbal 34,7 air 0,6
Perak 427 kayu 0,08
Bata Tanah Liat 0,54 - 0,6 udara 0,0234
Konveksi
Konveksi adalah mekanisme perpindahan panas melalui media fluida
dimana atom berpindah tempat, antara atom berenergi tinggi dan berenergi
rendah.
Rumusan Konveksi : H = h x A x T
Besarnya konveksi tergantung pada (ibnu, 2008) :
a. Luas permukaan benda yang bersinggungan dengan fluida (A).
b. Perbedaan suhu antara permukaan benda dengan fluida (T).
c. Koefisien konveksi (h), yang tergantung pada :
# viscositas fluida
# kecepatan fluida
# perbedaan temperatur antara permukaan dan fluida
# kapasitas panas fluida
# rapat massa fluida
# bentuk permukaan kontak
Radiasi
Proses radiasi adalah perpindahan panas yang dapat terjadi tanpa
melaui medium perantara, mekanismenya melalui gelombang
elektromagnetik.Untuk benda hitam, radiasi termal dirumuskan :
E = e T4
dimana : konstanta Boltzmann : 5,67 x 10-8 W/ m2 K4.
e : emitansi (0 e 1)
2. Sebutkan dan jelaskan sifat-sifat termal pada material-thermal expansion. Stabilitas refraktori ketika diekspose pada temperatur tinggi yang berbeda-beda kemudian didinginkan pada T ruang yang dilihat dari perubahan dimensi.-thermal shock. Penentuan sifat refraktori ketika diekspose pada pemanasan dan pendinginan.-Thermal conductivity. Kemampuan material untuk mengahntarkan panas secara langsung melalui atom-atom disekitarnya. Faktor yang mempengaruhi konduktivitas termal refraktori antara lain komposisi kimia, porositas, temperatur, tekanan, regangan, dan aliran panas.
-Thermal diffusivity. Umumnya pada material yang mengandung karbon dimana yang diperhatikan adalah mudah tidaknya atom berdifusi dalam material.-Kapasitas panas, adalah kemampuan refraktori untuk menampung panas yang diterima.
3. Apa yang disebut material refraktori, jelaskan sifat dan jenis material refraktori.
Refraktori didefinisikan sebagai material konstruksi yang mampu mempertahankan bentuk dan kekuatannya pada temperatur sangat tinggi dibawah beberapa kondisi seperti tegangan mekanik (mechanical stress) dan serangan kimia (chemical attack) dari gas-gas panas, cairan atau leburan dan semi leburan dari gelas, logam atau slag (modul,2015).Secara umum pembagian refraktori dalam Charles (2004) adalah:c. Shaped (bricks and cast shape)
Untuk refraktori jenis shaped, densitas adalah salah satu sifat yang sangat diperhatikan. Contoh refraktori jenis ini adalah firebrick dan alumino-silicate.
d. Unshaped (monolithic)Beberapa jenis refraktori monolithic adalah plastic, raming mixes, mortar, coating, castable, dan gunning mixes.
Namun pengelompokan refraktori juga dapat berdasarkan komposisi kimianya, seperti dalam modul (2015):
e. Asam (contohnya silika, firebrick, alumino-silicate)f. Netral (contoh chromite, silikon karbida, karbon, dan alumina)g. Basa (contohnya magnesite, forsterite magnesit-chromite, dan dolomite)h. Spesial (contohnya zirconia, spinel, dan boron nitride)
Dalam aplikasi di temperatur tinggi dan dibawah beban mekanik, refraktori harus memenuhi persyaratan seperti:
f. Tahan temperatut tinggi (titik leleh tinggi)g. Dapat menahan beban mekanik maupun termalh. Densitas tinggi dan porositas rendahi. Tidak mudah terkorosij. Tahan abrasi dan erosi dari zat padat, lelehan, atau gas
Sedangkan sifat-sifat material refraktori yang penting antara lain:
d. Sifat fisik
-densitas dan porositas. Semakin tinggi densitas, porositasnya akan semakin sedikit. Sifat fisik lain yang juga berkaitan dengan densitas antara lain kekuatan, abrasi, dan permeabilitas. -kekuatan. Uji kekuatan refraktori yang digunakan antara lain dari cold compressive strength, cold modulus of rupture, dan hot modulus of rupture.-abrasion resistance. Ketahan material refraktori ketika partikel berkecepatan tinggi mengabrasi permukaan refraktori.
e. Sifat termal-thermal expansion. Stabilitas refraktori ketika diekspose pada temperatur tinggi yang berbeda-beda kemudian didinginkan pada T ruang yang dilihat dari perubahan dimensi.-thermal shock. Penentuan sifat refraktori ketika diekspose pada pemanasan dan pendinginan.-Thermal conductivity. Kemampuan material untuk mengahntarkan panas secara langsung melalui atom-atom disekitarnya. Faktor yang mempengaruhi konduktivitas termal refraktori antara lain komposisi kimia, porositas, temperatur, tekanan, regangan, dan aliran panas.-Thermal diffusivity. Umumnya pada material yang mengandung karbon dimana yang diperhatikan adalah mudah tidaknya atom berdifusi dalam material.-Kapasitas panas, adalah kemampuan refraktori untuk menampung panas yang diterima.
f. Sifat kimiaSifat kimia yang diperhatikan adalah sifat ikatan pada refraktori dan kemampuan refraktori untuk menahan lelehan ketika terekspos pada temperatur tinggi, biasanya berkaitan dengan corrosion resistance.
4. Jelaskan prosedur praktikum
Praktikum dilakukan dengan menggunakan refraktori alumino-silicate yang akan ditentukan nilai koefisien konduktivitas, difusivitas, dan kapasitas panas spesifiknya.
Modul, 2015.1. Rangkai alat seperti gambar diatas2. Selipkan termokopel pada 2 cm dari pemanas dan 2 mm dari
pemanas. Pada percobaan ini yang diperhatikan adalah termokopel pada jarak 2 cm karena termokopelnya cukup akurat.
3. Ukur hambatan kawat pemanas dengan ohm meter4. Ukur temperatur saat t=05. Atur VARIAC ke tegangan yang diperlukan dengan menghitung
V=IR (maksimal tegangan alat 20 V)6. Catat temperatur setiap 10 detik untuk 5 menit pertama dan 30
detik untuk menit selanjutnya sampai menit ke 30, masukkan dalam tabel.
7. Matikan (off) VARIAC setelah selesai digunakan.
5. Hitung nilai kb
XA=0,3 m
A B C
XB=0,15 m
XC=0,15 m
Ka=20 W/mK
Kc=50W/mK
h=20 W/m2K
Ts,o=20 oC
Ts,1=600oC
Tud=800oC